[編者按] 光刻機(jī)是制造芯片的核心裝備，提升光刻機(jī)的研發(fā)制造能力，對(duì)國(guó)產(chǎn)芯片發(fā)展進(jìn)步至關(guān)重要。光刻機(jī)涉及多項(xiàng)復(fù)雜的先進(jìn)技術(shù)，中國(guó)工程院譚久彬院士在《儀器儀表學(xué)報(bào)》2023年3期發(fā)表《超精密測(cè)量是支撐光刻機(jī)技術(shù)發(fā)展的基石》一文，文章對(duì)超精密測(cè)量技術(shù)在光刻機(jī)制造中的重要作用進(jìn)行了闡述。

譚久彬簡(jiǎn)介：中國(guó)工程院院士、國(guó)家計(jì)量戰(zhàn)略專家委員會(huì)委員、中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密儀器工程研究院院長(zhǎng)。

超精密測(cè)量是支撐光刻機(jī)技術(shù)發(fā)展的基石

譚久彬

摘要：光刻機(jī)是尖端裝備的珠穆朗瑪峰。超精密測(cè)量是支撐光刻機(jī)產(chǎn)品研發(fā)與制造，保證光刻機(jī)產(chǎn)品制造精度等級(jí)與質(zhì)量水平的基石。本文綜述了光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，從零部件、分系統(tǒng)、整機(jī)集成、整機(jī)性能層面闡述了超精密測(cè)量對(duì)光刻機(jī)技術(shù)發(fā)展的支撐作用。分析了光刻機(jī)產(chǎn)品精密能力提升的途徑和超精密光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)測(cè)量體系建立的必要性，包括管控超精密光刻機(jī)產(chǎn)品制造質(zhì)量的工業(yè)測(cè)量體系和管控光刻機(jī)產(chǎn)品工業(yè)測(cè)量體系量值準(zhǔn)確可靠的計(jì)量體系。提出了建設(shè)光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心的必要性。

關(guān)鍵字：光刻機(jī)；超精密測(cè)量；工業(yè)測(cè)量體系；計(jì)量體系；計(jì)量測(cè)試中心

1、引    言

光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)處于高端裝備制造鏈的頂端，既是技術(shù)鏈的頂端，又是價(jià)值鏈的頂端；光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展不僅會(huì)直接拉動(dòng)芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而且會(huì)極大地牽動(dòng)整個(gè)高端裝備制造業(yè)的發(fā)展，是大國(guó)必爭(zhēng)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。要打造一個(gè)有牽動(dòng)力和競(jìng)爭(zhēng)力的光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)，首先必須打造光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量零部件產(chǎn)品的制

造鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，這是光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)與前提。超精密光刻機(jī)制造精度等級(jí)與質(zhì)量水平，決定了我國(guó)超精密光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)和整個(gè)高端裝備制造業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。要成功研發(fā)與制造光刻機(jī)產(chǎn)品，并不斷提高光刻機(jī)產(chǎn)品制造精度等級(jí)與質(zhì)量水平，就必須首先完成系統(tǒng)的超精密測(cè)量能力建設(shè)。沒(méi)有系統(tǒng)的超精密測(cè)量整體能力支撐，就不可能制造出質(zhì)量合格的光刻機(jī)產(chǎn)品；即便勉強(qiáng)研發(fā)出光刻機(jī)樣機(jī)，也很難產(chǎn)業(yè)化，也就是說(shuō)，沒(méi)有超精密測(cè)量能力，就無(wú)法生產(chǎn)出質(zhì)量合格的超精密光刻機(jī)產(chǎn)品，即無(wú)法滿足超精密、高性能、高穩(wěn)定性、高可靠性和長(zhǎng)壽命等要求。系統(tǒng)的超精密測(cè)量整體能力建設(shè)是支撐光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量的基石，是基礎(chǔ)的基礎(chǔ)。超精密測(cè)量能力建設(shè)處于基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性、戰(zhàn)略性地位，必須優(yōu)先發(fā)展。

2、光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)

2.1、光刻機(jī)是人類制造史上精度和性能水平最高的機(jī)器

超精密光刻機(jī)被譽(yù)為“超精密尖端裝備的珠穆朗瑪峰”，是人類制造史上精度和性能水平最高的機(jī)器。其精度和性能已經(jīng)接近人類超精密制造在現(xiàn)階段的精度極限和性能極限。光刻機(jī)的工作原理是，采用類似照相機(jī)原理的方式，把掩模板上的集成電路等精細(xì)圖形通過(guò)物鏡系統(tǒng)按比例縮小，成像到硅片上；然后使用化學(xué)方法顯影，再經(jīng)過(guò)離子束刻蝕，得到刻在硅片上的集成電路等精細(xì)圖形[1]。超精密光刻機(jī)是在超精密量級(jí)上把最先進(jìn)的光、機(jī)、電、控等十幾個(gè)至幾十個(gè)分系統(tǒng)，幾萬(wàn)個(gè)乃至十幾萬(wàn)個(gè)零部件集成在一起，通過(guò)及其復(fù)雜和嚴(yán)密的超精密測(cè)控系統(tǒng)，使光刻機(jī)的十幾個(gè)至幾十個(gè)分系統(tǒng)高精度和高性能協(xié)同工作。它是人類裝備制造史上復(fù)雜程度最高、技術(shù)難度最大、制造精度最高、綜合性能最強(qiáng)的尖端超精密裝備。它在高速和高加速度下，達(dá)到納米級(jí)的同步精度、單機(jī)套刻精度和匹配套刻精度等，這與傳統(tǒng)的精度提升環(huán)境完全不同。精度和性能是超精密光刻機(jī)的生命，其精度和性能提升一點(diǎn)點(diǎn)，通常都要付出幾倍，乃至十幾倍的代價(jià)。

2.2、現(xiàn)有光刻機(jī)是集成全球超精密制造和測(cè)量能力的高精尖技術(shù)的結(jié)晶

由于光刻機(jī)制造與集成難度極大，目前全世界只有少數(shù)幾家公司能夠研制和生產(chǎn)。光刻機(jī)主要以荷蘭ASML，日本Nikon和Canon三大品牌為主，而最高端EUV光刻機(jī)僅有ASML一家公司有能力制造。其中用于7nm節(jié)點(diǎn)制程的EUV光刻機(jī)擁有10萬(wàn)多個(gè)光機(jī)零件，涉及上游5000多家供應(yīng)商。這些零部件對(duì)精度、性能和可靠性的要求極高，只有發(fā)揮供應(yīng)鏈上所有頂尖制造商的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，確保全部零部件都滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，最終超精密光刻機(jī)才有可能研發(fā)成功。

超精密光刻機(jī)不僅依賴全球超精密制造能力，同時(shí)依賴全球尖端的超精密測(cè)量的能力，如光刻機(jī)主要零件加工中的超精密測(cè)量、部件集成調(diào)試中的超精密測(cè)量、分系統(tǒng)集成調(diào)試中的超精密測(cè)量、整機(jī)集成調(diào)試中的超精密測(cè)量、整機(jī)性能調(diào)試中的超精密測(cè)量和嵌入光刻裝備內(nèi)部的數(shù)以千計(jì)的超精密測(cè)量單元及傳感器，涉及幾何、力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等多學(xué)科的、種類繁雜的幾十萬(wàn)個(gè)指標(biāo)參數(shù)。需要通過(guò)超精密測(cè)量手段，對(duì)每一個(gè)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，對(duì)每一個(gè)零件、部件、分系統(tǒng)、整機(jī)的精度與性能進(jìn)行層層管控。目前，用于最先進(jìn)EUV超精密光刻機(jī)測(cè)量的通用儀器和專用儀器有1000多種。超精密測(cè)量能力是光刻機(jī)制造和運(yùn)行水平的集中體現(xiàn)。

2.3、國(guó)內(nèi)外光刻機(jī)市場(chǎng)需求

2022年，前三大ASML、Nikon、Canon的集成電路用光刻機(jī)出貨達(dá)超過(guò)500臺(tái)，達(dá)到551臺(tái)，較2021年的478臺(tái)增加73臺(tái)，漲幅為15%。而2021年，全球光刻機(jī)產(chǎn)品出貨量達(dá)650臺(tái)，其中集成電路制造用光刻機(jī)出貨約500臺(tái)，占比77%；面板、LED用光刻機(jī)出貨約150臺(tái)，占比23%。目前，全球光刻機(jī)市場(chǎng)的主要供貨企業(yè)是荷蘭的ASML，日本Nikon和日本佳能Canon三家，三家企業(yè)的合計(jì)市場(chǎng)份額占到了全球光刻機(jī)市場(chǎng)的90%以上。前三大企業(yè)ASML、Nikon、Canon的集成電路用光刻機(jī)出貨達(dá)478臺(tái)，較2020年的413臺(tái)增加了65臺(tái)，增幅為15.74%。從EUV光刻機(jī)、浸沒(méi)式ArF光刻機(jī)、干式ArF光刻機(jī)三個(gè)高端機(jī)型的出貨來(lái)看，2021年共出貨152臺(tái)，較2020年的143臺(tái)增長(zhǎng)6.29%。其中ASML出貨145臺(tái)，占有95.4%的市場(chǎng)，較2020年增加10.4個(gè)百分點(diǎn)；Nikon出貨7臺(tái)，占有4.6%的市場(chǎng)，較2020年15%減少10.4個(gè)百分點(diǎn)。

在EUV光刻機(jī)方面，仍然是ASML獨(dú)占鰲頭，市場(chǎng)占有率高達(dá)100%；在浸沒(méi)式ArF光刻機(jī)方面，ASML市場(chǎng)占有率高達(dá)96%，較2020年增加10個(gè)百分點(diǎn)；在干式ArF方面ASML市場(chǎng)占有率達(dá)88%，較2020年增加21%；在KrF光刻機(jī)方面，ASML也是占據(jù)75%的市場(chǎng)份額，較2020年增加4個(gè)百分點(diǎn)；在i線光刻機(jī)方面，ASML也有21.71%的市場(chǎng)份額。2020年全球光刻機(jī)出貨量為583臺(tái)，2021年達(dá)650臺(tái)，同比增長(zhǎng)11.49%。

國(guó)內(nèi)光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)尚屬于初期階段，雖未形成體系，但已形成一定規(guī)模，支撐著低端光刻機(jī)、各類專用光刻機(jī)的研發(fā)與生產(chǎn)，同時(shí)支撐著部分高端光刻機(jī)的研發(fā)。國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)未來(lái)有相當(dāng)大的發(fā)展空間。2022年中國(guó)低端光刻機(jī)行業(yè)（后道封裝光刻機(jī)、手動(dòng)或半自動(dòng)接觸式光刻機(jī)等）產(chǎn)量95臺(tái)，預(yù)計(jì)2028年該類光刻機(jī)產(chǎn)量有望達(dá)到373臺(tái)。隨著第三次全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向中國(guó)轉(zhuǎn)移，國(guó)內(nèi)晶圓廠投資加速，光刻機(jī)作為新建晶圓廠的核心資本支出，市場(chǎng)空間進(jìn)一步打開。28nm作為當(dāng)前關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)，工藝制程從90nm突破至28nm，對(duì)于國(guó)產(chǎn)替代具有重大戰(zhàn)略意義。受益于5G時(shí)代、AI、自動(dòng)駕駛等技術(shù)的普及與對(duì)芯片的迫切需求，我國(guó)光刻機(jī)市場(chǎng)需求有望在未來(lái)幾年持續(xù)強(qiáng)勁增長(zhǎng)。2022年中國(guó)光刻機(jī)市場(chǎng)需求為652臺(tái)，2028年預(yù)計(jì)市場(chǎng)需求在1210臺(tái)左右。

3、 超精密測(cè)量是支撐光刻機(jī)產(chǎn)品制造質(zhì)量提升的基石

成體系的超精密測(cè)量能力是光刻機(jī)產(chǎn)品制造質(zhì)量有效管控與質(zhì)量提升的基礎(chǔ)能力與核心能力。光刻機(jī)產(chǎn)品制造鏈主要包括零件制造、部件集成、分系統(tǒng)集成、整機(jī)集成，整機(jī)性能調(diào)試、試驗(yàn)線上考核試驗(yàn)和產(chǎn)品在役監(jiān)測(cè)等，在這個(gè)全制造鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈和全生命周期過(guò)程中，對(duì)超精密測(cè)量的需求無(wú)處不在、無(wú)時(shí)不在。

3.1、零部件層面的超精密測(cè)量

在光刻機(jī)零部件制造層面，以光刻機(jī)硅片臺(tái)核心零件微晶方鏡的制造為例來(lái)考察超精密測(cè)量的不可替代性。該零件用于光刻機(jī)硅片臺(tái)對(duì)晶圓的承載，同時(shí)也是甚多軸激光干涉儀的目標(biāo)反射鏡。對(duì)微晶方鏡的加工精度特別是反射面面形精度、各反射面間的位置精度、微晶方鏡整體剛度、模態(tài)、輕量化等都具有極高的要求。該零件包含108項(xiàng)尺寸公差和62項(xiàng)形狀/位置/方向公差要求，需要20余種通用及專用測(cè)量?jī)x器，才能完成這一個(gè)零件的測(cè)量。

以光刻機(jī)投影物鏡中主透鏡元件為例，透鏡面形精度要求從亞納米級(jí)達(dá)到了皮米級(jí)，例如低頻面形精度RMS要求從早期的0.35nm發(fā)展為現(xiàn)在的75pm（1nm=1000pm），中頻面形精度RMS要求從0.25nm發(fā)展為80pm，高頻粗糙度RMS要求從0.3nm發(fā)展為100pm。低頻面形精度影響投影物鏡的波像差，中頻面形精度影響投影物鏡的眩光和光刻圖案對(duì)比度，而高頻粗糙度則與投影物鏡的光能損失有關(guān)。對(duì)于透鏡面形的測(cè)量精度要求則更加的嚴(yán)苛，其測(cè)量重復(fù)性誤差RMS需求達(dá)到10pm，EUV光刻機(jī)物鏡需要實(shí)現(xiàn)在450mm口徑內(nèi)達(dá)到50pm面形精度，這相當(dāng)于在德國(guó)整個(gè)國(guó)土面積上（直徑約850km），土地平整度為0.15mm。

3.2、分系統(tǒng)層面的超精密測(cè)量

在光刻機(jī)分系統(tǒng)層面，以光刻機(jī)運(yùn)動(dòng)臺(tái)分系統(tǒng)為例，雙工件臺(tái)與掩模臺(tái)系統(tǒng)是光刻機(jī)三大核心分系統(tǒng)之一，其運(yùn)動(dòng)性能直接影響光刻機(jī)的曝光精度和產(chǎn)率。對(duì)于45nm節(jié)點(diǎn)光刻機(jī)，工件臺(tái)與掩模臺(tái)在m/s級(jí)運(yùn)動(dòng)速度下的同步運(yùn)動(dòng)誤差需達(dá)到3nm[7]，這相當(dāng)于兩架波音747飛機(jī)在以1000km/h飛行時(shí)，兩架飛機(jī)之間的相對(duì)位置差小于1μm。工件臺(tái)和掩模臺(tái)的同步運(yùn)動(dòng)精度主要通過(guò)甚多軸（＞20軸）激光干涉儀來(lái)保證。只有激光干涉儀的動(dòng)態(tài)測(cè)量精度達(dá)到10nm，才能支撐90nm光刻機(jī)的研發(fā)；只有激光干涉儀的動(dòng)態(tài)測(cè)量精度達(dá)到1nm量級(jí)，才能支撐7nm光刻技術(shù)的研發(fā)。除三維線位移之外，運(yùn)動(dòng)臺(tái)三維姿態(tài)角度的超精密測(cè)量同樣由甚多軸激光干涉儀完成。對(duì)于45nm光刻節(jié)點(diǎn)，要求激光干涉儀在m/s級(jí)運(yùn)動(dòng)速度、幾個(gè)g到幾十個(gè)g加速度下的動(dòng)態(tài)角度測(cè)量精度需要優(yōu)于100nrad；同時(shí)，為了支撐運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的高精度和高效調(diào)節(jié)，45nm光刻機(jī)節(jié)點(diǎn)要求激光干涉儀的位移測(cè)量分辨力優(yōu)于0.6nm、角度分辨力優(yōu)于30nrad、數(shù)據(jù)更新率達(dá)到20MHz、任意測(cè)量軸之間的時(shí)延差異小于1ns；在目前頂尖的EUV光刻機(jī)中，激光干涉儀的有效位移測(cè)量分辨力已經(jīng)達(dá)到驚人的38pm。此外，作為光刻機(jī)的嵌入式核心測(cè)量單元，激光干涉儀還需要具有封閉式自校準(zhǔn)的手段和功能，從而在光刻機(jī)內(nèi)部或多臺(tái)光刻設(shè)備之間構(gòu)建起穩(wěn)定一致的量值溯源體系。

以光刻機(jī)環(huán)控系統(tǒng)為例，在光刻過(guò)程中，環(huán)控分系統(tǒng)將電機(jī)運(yùn)動(dòng)、光源曝光產(chǎn)生的熱量及時(shí)轉(zhuǎn)移到外界，保證關(guān)鍵區(qū)域溫度、相對(duì)濕度、壓力的穩(wěn)定性，同時(shí)維持整機(jī)內(nèi)部的潔凈度。EUV光刻機(jī)中每秒需要4000L水用于精確控制冷卻激光器溫度，關(guān)鍵區(qū)域的溫度測(cè)量與控制精度要達(dá)到mK 量級(jí)，相對(duì)濕度的測(cè)量與控制精度達(dá)到1%RH量級(jí)。光刻機(jī)工作時(shí)所需的無(wú)塵環(huán)境要求非常高，如1m3內(nèi)直徑0.1μm的粒子不超過(guò)10個(gè)。如果將1m3等比例放大到整個(gè)太平洋，粒子等效成其中的魚，那么，最大的魚的體積為3.7L且不超過(guò)10尾。為了滿足光刻機(jī)超潔凈的需求，環(huán)控分系統(tǒng)的最小可探測(cè)的粒子直徑必須達(dá)到0.1μm量級(jí)。

3.3、整機(jī)集成層面的超精密測(cè)量

光刻機(jī)整機(jī)集成方面，首先要考慮超精密測(cè)量框架，它是光刻機(jī)整機(jī)的裝配基準(zhǔn)、運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)和測(cè)量基準(zhǔn)，直接決定了光刻機(jī)整機(jī)精度與性能。其次要考慮隔微振系統(tǒng)，它用于抑制運(yùn)動(dòng)臺(tái)高速、高加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng)，并隔離地基傳遞上來(lái)的各類振動(dòng)，為超精密測(cè)量框架提供超靜內(nèi)部環(huán)境，是光刻機(jī)工作精度與性能生成的必要保障。隔微振系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)包括：固有頻率、振動(dòng)傳遞率、響應(yīng)時(shí)間、調(diào)平精度等指標(biāo)。其中固有頻率和振動(dòng)傳遞率主要用于衡量對(duì)地基振動(dòng)的隔離能力，響應(yīng)時(shí)間和調(diào)平精度主要用于衡量對(duì)負(fù)載直接擾動(dòng)的抑制能力。對(duì)于45nm節(jié)點(diǎn)光刻機(jī)，為了滿足運(yùn)動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)平均誤差<3 nm，運(yùn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)誤差<6 nm等指標(biāo)，內(nèi)部框架殘余振動(dòng)的功率譜密度要求須小于10-9~10-10量級(jí)，對(duì)應(yīng)隔微振系統(tǒng)固有頻率優(yōu)于0.5Hz，在10Hz處振動(dòng)傳遞率達(dá)到–40dB以上。這相當(dāng)于把喧囂嘈雜的鬧市區(qū)環(huán)境噪聲降低至靜謐安逸的圖書館等級(jí)。

3.4、整機(jī)性能層面的超精密測(cè)量

在整機(jī)性能層面，為了高效、精確地將掩模板上的圖案轉(zhuǎn)移到硅片上，光刻機(jī)整機(jī)需在各分系統(tǒng)性能滿足指標(biāo)需求的前提下，根據(jù)芯片工藝制程約束對(duì)各分系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同調(diào)控。在充分發(fā)揮各分系統(tǒng)精度與性能，使其達(dá)到極致的基礎(chǔ)上，確保芯片的產(chǎn)率和良率。

從光刻機(jī)流程調(diào)控方面看，為了實(shí)現(xiàn)各分系統(tǒng)工作時(shí)序的緊密銜接，必須采用統(tǒng)一、精準(zhǔn)的時(shí)間基準(zhǔn)。例如硅片傳輸系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)臺(tái)需要精準(zhǔn)的時(shí)序配合才能實(shí)現(xiàn)安全、高速的上下片操作，其時(shí)間精度需達(dá)到1μs。從精度性能調(diào)控方面看，對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)、調(diào)平調(diào)焦系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)需在高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的同步傳輸，其時(shí)間精度需達(dá)到10ns。同時(shí)，調(diào)平調(diào)焦系統(tǒng)獲得的硅片形貌信息要精準(zhǔn)地映射到運(yùn)動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)，進(jìn)而完成整機(jī)軌跡規(guī)劃，由運(yùn)動(dòng)臺(tái)快速精準(zhǔn)調(diào)控實(shí)現(xiàn)對(duì)不平整硅片表面的信息補(bǔ)償。從工藝參數(shù)性能調(diào)控方面看，光源與照明、物鏡、運(yùn)動(dòng)臺(tái)、光刻對(duì)準(zhǔn)等分系統(tǒng)的協(xié)同更為緊密，整機(jī)軟件需根據(jù)光源功率、物鏡畸變、硅片形貌實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)臺(tái)軌跡。通過(guò)曝光劑量調(diào)控、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)在給定工藝參數(shù)下的掃描曝光流程，最大限度地提高芯片良率。同時(shí)，環(huán)控分系統(tǒng)除了給其他分系統(tǒng)提供基礎(chǔ)保障之外，也需緊密參與協(xié)同工作。例如，運(yùn)動(dòng)臺(tái)分系統(tǒng)需根據(jù)溫度、壓力、濕度乃至流場(chǎng)的超精密測(cè)量數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)光程信息；物鏡分系統(tǒng)需根據(jù)溫度、振動(dòng)等超精密測(cè)量數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部可動(dòng)鏡組實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)波相差調(diào)節(jié)。

3.5、測(cè)量?jī)x器的計(jì)量校準(zhǔn)與量值溯源

測(cè)量?jī)x器是光刻機(jī)各環(huán)節(jié)性能指標(biāo)定量化的設(shè)備，測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確性將直接決定光刻機(jī)各環(huán)節(jié)的性能指標(biāo)。光刻機(jī)由幾萬(wàn)至十幾萬(wàn)個(gè)零件組成，涉及全球范圍內(nèi)的幾千家供應(yīng)商。為保證各個(gè)供應(yīng)商之間產(chǎn)品的性能一致性與同類產(chǎn)品的互換性，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)等有關(guān)組織機(jī)構(gòu)制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，依據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，把國(guó)際計(jì)量局(BIPM)建立的計(jì)量單位基準(zhǔn)量值傳遞給測(cè)量?jī)x器，保證計(jì)量單位基準(zhǔn)量值在全世界范圍內(nèi)準(zhǔn)確一致，進(jìn)而保證產(chǎn)品之間的性能一致性與同類產(chǎn)品的互換性。測(cè)量?jī)x器只有在規(guī)定的時(shí)間周期內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)，方可確定測(cè)量?jī)x器相應(yīng)示值與測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)提供的量值之間的確定關(guān)系，才能保證測(cè)量?jī)x器的測(cè)量結(jié)果在一定范圍內(nèi)的準(zhǔn)確性與可靠性。測(cè)量?jī)x器校準(zhǔn)過(guò)程中的計(jì)量溯源鏈長(zhǎng)短決定測(cè)量?jī)x器的精度水平和效率。

測(cè)量?jī)x器校準(zhǔn)過(guò)程中，如果能夠直接溯源到國(guó)際單位制七個(gè)基本量定義，將是計(jì)量溯源鏈最短的校準(zhǔn)過(guò)程，也將是精度等級(jí)最高的校準(zhǔn)結(jié)果。因此，要提高光刻機(jī)全制造鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈和全生命周期中專用超精密測(cè)量?jī)x器的精度水平，應(yīng)盡量采用計(jì)量溯源鏈最短的校準(zhǔn)過(guò)程。特別是，超精密光刻機(jī)全生命周期中的部分關(guān)鍵核心指標(biāo)已接近超精密裝備現(xiàn)階段工作精度與性能的極限，而其對(duì)應(yīng)的測(cè)量?jī)x器均為專用超精密測(cè)量?jī)x器，其校準(zhǔn)時(shí)需要直接向國(guó)際單位制七個(gè)基本量定義溯源。只有這樣才能確保其測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度達(dá)到要求，進(jìn)而保證光刻機(jī)工作狀態(tài)下的精度與性能指標(biāo)準(zhǔn)確可靠。

4、 光刻機(jī)產(chǎn)品精密測(cè)量能力提升的途徑

光刻機(jī)產(chǎn)品精密測(cè)量能力快速提升的途徑是，建立一個(gè)面向光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)全制造鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈和全生命周期，能全面有效監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量的專業(yè)化超精密測(cè)量機(jī)構(gòu)，同時(shí)建立能全面有效對(duì)所有超精密測(cè)量?jī)x器、檢測(cè)工裝、嵌入式測(cè)量系統(tǒng)和傳感器進(jìn)行高效率計(jì)量校準(zhǔn)的計(jì)量機(jī)構(gòu)，這兩個(gè)機(jī)構(gòu)可以合二為一。這個(gè)合二為一的技術(shù)機(jī)構(gòu)就是光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心。

該中心的使命是，圍繞光刻機(jī)產(chǎn)品全制造鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈、全壽命周期的超精密測(cè)量與計(jì)量校準(zhǔn)需求，將計(jì)量測(cè)試融入到光刻機(jī)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、生產(chǎn)、使用、維護(hù)等全過(guò)程，促進(jìn)和保障光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。該中心具有基礎(chǔ)支撐性和技術(shù)先導(dǎo)性，即，可起到光刻機(jī)零部件、分系統(tǒng)和整機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)與質(zhì)量調(diào)控的基礎(chǔ)保障作用；同時(shí)，充分發(fā)揮計(jì)量測(cè)試中心技術(shù)先導(dǎo)優(yōu)勢(shì)，可引領(lǐng)光刻機(jī)技術(shù)不斷迭代與創(chuàng)新。

4.1、制造鏈上超精密測(cè)量能力建設(shè)

在光刻機(jī)零部件生產(chǎn)制造階段，計(jì)量測(cè)試作為“工業(yè)生產(chǎn)的眼睛”，是實(shí)現(xiàn)制造工藝過(guò)程控制的技術(shù)基礎(chǔ)。超精密測(cè)量能力與質(zhì)量調(diào)控能力不僅影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，也影響著生產(chǎn)效益；即便是在原材料的制造過(guò)程中，超精密測(cè)量能力與質(zhì)量調(diào)控能力同樣會(huì)直接影響到原材料性能、質(zhì)量與生產(chǎn)效益。以運(yùn)動(dòng)臺(tái)分系統(tǒng)中的直線電機(jī)為例，其制造過(guò)程涉及磁鋼的加工、充磁、裝配、線圈繞制、膠封、裝配、水冷板的加工、裝配等復(fù)雜工序。為了保證直線電機(jī)的出力特性和熱特性需求，在出廠前必須對(duì)電機(jī)的峰值力、持續(xù)力、波動(dòng)力、表面溫升及電磁輻射等指標(biāo)進(jìn)行精確測(cè)試，其中力值測(cè)量精度需達(dá)到0.5N，溫度精度需達(dá)到0.1K。

由此可見，光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心面向所有光刻機(jī)零部件超精密和超性能制造需求，能完成數(shù)以幾十萬(wàn)計(jì)的幾何學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等各類物理參數(shù)和工程參數(shù)測(cè)量，建立功能完善、精確可靠的工業(yè)測(cè)量體系和計(jì)量校準(zhǔn)體系，滿足光刻機(jī)零部件生產(chǎn)制造質(zhì)量與生產(chǎn)效益的需求。

4.2、產(chǎn)業(yè)鏈上產(chǎn)品超精密測(cè)量能力建設(shè)

在光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈方面，光刻機(jī)研制嚴(yán)重依賴如光源與照明、物鏡等核心上游產(chǎn)品。以ASML為例，其供應(yīng)商都是國(guó)際上相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量頂尖的供應(yīng)商。其中，鏡頭供應(yīng)商為德國(guó)卡爾-蔡司；極紫外光源供應(yīng)商為美國(guó)Cymer（被ASML收購(gòu)）；機(jī)電設(shè)備供應(yīng)商為美國(guó)Sparton；微激光系統(tǒng)供應(yīng)商為美國(guó)磁谷光刻；污染控制與先進(jìn)材料供應(yīng)商為美國(guó)Entegris公司；儀表和控制系統(tǒng)供應(yīng)商為美國(guó)MKS Instruments公司；高階線材、PCB與整機(jī)組裝來(lái)自中國(guó)臺(tái)灣信邦電子公司。其下游產(chǎn)業(yè)主要為芯片生產(chǎn)線。在晶圓刻蝕的工藝中，以及晶圓刻蝕完成后的工藝中，需要對(duì)晶圓進(jìn)行多重多類檢測(cè)，如膜厚檢測(cè)、膜應(yīng)力檢測(cè)、關(guān)鍵尺寸檢測(cè)、光刻機(jī)套刻精度檢測(cè)、晶圓表面缺陷檢測(cè)等。

為滿足上游投影物鏡產(chǎn)品系統(tǒng)性能的檢測(cè)檢驗(yàn)，需要研制專用測(cè)試平臺(tái)，并考慮不同型號(hào)物鏡的兼容性、集成與測(cè)試的便捷性。測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試流程主要包括物鏡集成、系統(tǒng)整機(jī)上電、Set-up、波像差測(cè)試、畸變測(cè)試、NA測(cè)試、倍率測(cè)試、遠(yuǎn)心測(cè)試、透過(guò)率測(cè)試等。光刻機(jī)對(duì)投影物鏡系統(tǒng)的波像差要求不斷提高，從RMS=0.7nm到RMS=0.25nm，再到RMS=0.2nm。投影物鏡畸變的峰谷（PV）值需要控制在0.7 nm以內(nèi)，畸變檢測(cè)精度需要達(dá)到0.1nm。專用物鏡測(cè)試臺(tái)的精度要求也不斷提升。

光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心面向國(guó)內(nèi)外眾多供應(yīng)商提供的光機(jī)電控算各類產(chǎn)品的質(zhì)量與性能需求，能完成數(shù)以幾十萬(wàn)計(jì)的各類物理參數(shù)和工程參數(shù)測(cè)量，建立功能完善、精確可靠的檢驗(yàn)檢測(cè)體系和計(jì)量校準(zhǔn)體系，具備對(duì)所有供應(yīng)商提供的產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè)的能力。

4.3、光刻機(jī)產(chǎn)品在役測(cè)量能力建設(shè)

在光刻機(jī)在役使用階段，用戶將根據(jù)工藝制程參數(shù)對(duì)芯片量產(chǎn)的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格在線控制。這要求光刻機(jī)必須實(shí)時(shí)獲得光刻機(jī)工作鏈上的無(wú)處不在的測(cè)量數(shù)據(jù)，再根據(jù)無(wú)處不在的精確測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，以確保無(wú)故障、高精度和高性能運(yùn)行；同時(shí)，根據(jù)無(wú)處不在的精確測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)光刻機(jī)各個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行精度調(diào)控、性能調(diào)控和質(zhì)量調(diào)控。

具體而言，光刻機(jī)整機(jī)會(huì)根據(jù)芯片制造的工藝制程，采用數(shù)字孿生技術(shù)建立芯片質(zhì)量、產(chǎn)率與運(yùn)行數(shù)據(jù)的映射模型。在此基礎(chǔ)上一方面可以根據(jù)大數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)一步調(diào)控工藝制造參數(shù)，保證量產(chǎn)芯片的質(zhì)量；另一方面，光刻機(jī)整機(jī)還可以對(duì)各分系統(tǒng)及關(guān)鍵零部件層開展健康監(jiān)測(cè)，根據(jù)預(yù)先制定的故障處理機(jī)制及時(shí)對(duì)漂移類故障在役校準(zhǔn)、補(bǔ)償或修復(fù)，對(duì)確定性故障進(jìn)行及時(shí)預(yù)警，確保光刻制程的產(chǎn)率、良率和安全性。

以運(yùn)動(dòng)臺(tái)分系統(tǒng)為例，多自由度運(yùn)動(dòng)臺(tái)中的多項(xiàng)幾何參數(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)和質(zhì)量特性參數(shù)會(huì)在長(zhǎng)時(shí)間工作過(guò)程中受振動(dòng)沖擊、外界力干擾和熱力學(xué)干擾等的影響下發(fā)生漂移，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)臺(tái)本身的測(cè)量解耦和出力分配精準(zhǔn)度下降，進(jìn)而影響運(yùn)動(dòng)精度以及芯片的特征尺寸。這就需要整機(jī)系統(tǒng)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將尺寸類參數(shù)在溯源至干涉儀測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上適時(shí)的調(diào)整至出廠校準(zhǔn)狀態(tài)，確保光刻機(jī)的最佳性能。

光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心面向光刻機(jī)全生命周期中對(duì)工作精度、性能和可靠性需求，能完成數(shù)以萬(wàn)計(jì)的在線工程參數(shù)測(cè)量，建立功能完善、精確可靠的嵌入式測(cè)量系統(tǒng)和嵌入式計(jì)量校準(zhǔn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)處處精準(zhǔn)，時(shí)時(shí)精準(zhǔn)，滿足對(duì)光刻機(jī)整機(jī)產(chǎn)品在線工作狀態(tài)下的精準(zhǔn)可靠測(cè)量與可靠運(yùn)行的需求。

4.4、光刻機(jī)行業(yè)測(cè)量能力建設(shè)

光刻機(jī)測(cè)量體系建設(shè)是光刻機(jī)行業(yè)測(cè)量能力建設(shè)的首要任務(wù)。光刻機(jī)行業(yè)與各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展息息相關(guān)，我國(guó)的光刻機(jī)行業(yè)，特別是先進(jìn)制程的光刻機(jī)行業(yè)，尚處于發(fā)展的初期，部分相關(guān)人員對(duì)測(cè)量體系對(duì)光刻機(jī)行業(yè)能力的提升與促進(jìn)作用，還存在認(rèn)識(shí)嚴(yán)重不足的問(wèn)題。因此，要解決光刻機(jī)的精度提升、性能提升和質(zhì)量提升問(wèn)題，必須在其全制造鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)和全生命周期中建立起各自的測(cè)量體系，這是解決上述問(wèn)題的核心與關(guān)鍵。光刻機(jī)行業(yè)的測(cè)量體系必須做到，在光刻機(jī)產(chǎn)品全制造鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)上和全生命周期中，“無(wú)處不測(cè)，無(wú)時(shí)不測(cè)；處處精準(zhǔn)，時(shí)時(shí)精準(zhǔn)”。

對(duì)光刻機(jī)工程測(cè)量?jī)x器的計(jì)量校準(zhǔn)能力建設(shè)是我國(guó)光刻機(jī)行業(yè)測(cè)量能力建設(shè)的另一重要任務(wù)。光刻機(jī)產(chǎn)品工程測(cè)量?jī)x器包括實(shí)驗(yàn)室測(cè)量?jī)x器、全制造鏈上的臨床測(cè)量?jī)x器、在線測(cè)量?jī)x器；全產(chǎn)業(yè)鏈上的檢驗(yàn)檢測(cè)儀器；光刻機(jī)運(yùn)行時(shí)的嵌入式測(cè)量?jī)x器、處理單元和傳感器系統(tǒng)等。所有這些數(shù)以萬(wàn)計(jì)的光刻機(jī)產(chǎn)品工程測(cè)量?jī)x器構(gòu)成了光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)工程測(cè)量體系。另一方面，光刻機(jī)產(chǎn)品全制造鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈、全生命周期中的各個(gè)環(huán)節(jié)所需要的所有工程測(cè)量?jī)x器，均需保證其測(cè)量結(jié)果“處處精準(zhǔn)，時(shí)時(shí)精準(zhǔn)”。這些數(shù)以萬(wàn)計(jì)的光刻機(jī)產(chǎn)品工程測(cè)量?jī)x器的測(cè)量準(zhǔn)確度都必須由相對(duì)應(yīng)的數(shù)以千計(jì)的計(jì)量校準(zhǔn)儀器管控，所有這些數(shù)以千計(jì)的計(jì)量校準(zhǔn)儀器構(gòu)成了光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)計(jì)量體系。上述兩個(gè)體系構(gòu)成了光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)測(cè)量體系，或可稱之為計(jì)量測(cè)試體系。

5、結(jié)束語(yǔ)

1、要想研制出合格的超精密光刻機(jī)，特別是批量生產(chǎn)出合格的超精密光刻機(jī)產(chǎn)品，就必須建立起超精密光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)測(cè)量體系。該測(cè)量體系由兩部分構(gòu)成：一是能管控超精密光刻機(jī)產(chǎn)品制造質(zhì)量的工業(yè)測(cè)量體系；二是能管控光刻機(jī)產(chǎn)品工業(yè)測(cè)量體系量值準(zhǔn)確可靠的計(jì)量體系。

2、超精密測(cè)量是光刻機(jī)產(chǎn)品制造質(zhì)量管控與質(zhì)量提升的基石。當(dāng)前，我國(guó)普遍關(guān)注光刻機(jī)核心技術(shù)短板，而忽視了建立超精密光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)測(cè)量體系這一基礎(chǔ)與前提條件。建立超精密光刻機(jī)測(cè)量體系，必須把測(cè)量?jī)x器、測(cè)量系統(tǒng)、傳感測(cè)量系統(tǒng)和管控它們的的計(jì)量校準(zhǔn)單元嵌入到超精密光刻機(jī)產(chǎn)品的制造鏈、產(chǎn)業(yè)鏈和運(yùn)行中的光刻機(jī)產(chǎn)品中，實(shí)現(xiàn)“無(wú)處不測(cè)，無(wú)時(shí)不測(cè)；處處精準(zhǔn)，時(shí)時(shí)精準(zhǔn)”。

3、建設(shè)光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心是建立超精密光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)測(cè)量體系的技術(shù)、條件和設(shè)施保障。加快建設(shè)超精密光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心是當(dāng)務(wù)之急。

參考文獻(xiàn)略